（信息与通信工程专业论文）基于uml的atr信息处理系统建模研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 a t r 技术是未来信息化战争中不可或缺的重要手段，是实现战场态势精确感 知和远程精确打击的核心技术，但是a t r 系统理论研究尚未引起重视，整体研究 较少，大都处于算法理论的层次。本文以课题组某项目为背景，采用u m l 建模技 术对a t r 信息处理系统研发过程中信息处理平台设计、a t r 算法研究、形成模块 化和接口规范化算法软件等环节相互协同进行研究，建立了相应的模型和模块封 装标准，并在此基础上提出了相应的具有形式化语义的构件模型和消息模型，开 发了a t r 系统构件模型，进行了a t r 信息处理模型和a t r 评估的虚拟验证。 ( 1 ) 通过对a t r 系统进行分析，抽象出a t r 信息处理系统的流程图，在 a t r 信息处理流程的基础上，采用u m l 建模技术设计了a t r 信息处理系统的基 本模型和基于插头插座式体系结构的a t r 信息处理模型，通过分析对比，得出基 于插头插座式体系结构更适合a t r 系统建模的结论。 ( 2 ) 从用例图、类图、状态图和顺序图等不同的角度对设计了模型的静态结 构和动态结构，并建立了各个类的封装标准。 ( 3 ) 在基于插头插座式体系结构模型的基础上进行抽象，提出了采用数学方 法对模型进行准确描述的、具有形式化语义的构件模型，制定了可复用的a t r 信 息处理功能模块规范。并在此基础上对构件的入库和构件检索作了初步研究， ( 4 ) 借鉴计算机硬件总线技术，提出了采用软件总线技术对算法构件进行集 成的方法，同时给出了具有形式化语义的消息模型，在构件组装的基础上实现了 a t r 系统构件模型。基于a t r 支撑平台的a t r 系统在开发时可以进行算法评估 和算法选择，在新的算法出现时不需要对平台进行修改。 ( 5 ) 分析了宽带步进频导引头雷达的信息处理流程，并以此为背景实现了 a t r 信息处理系统模型的虚拟验证，同时验证了该模型对算法评估的支持。 主题词：a i ru m l 模块化形式化信息处理消息模型软件总线 虚拟验证 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a bs t r a c t a t rt e c h n o l o g yi st h en e c e s s a r ya n di m p o r t a n tm e a n si nt h ef u t u r ei n f o r m a t i o n w a r sa n di st h ek e yt e c h n o l o g yo fr e a l i z i n ga c c u r a t es t r i k ea n da c q u i r i n gp r e c m e b a t t l e f i e l di n f o r m a t i o n h o w e v e r ，t h er e s e a r c ho fa t rs y s t e mt h e o r yi sn o te n o u g h m a n yw o r k sa r es t i l l i nt h ec a t e g o r yo fa l g o r i t h mt h e o r yw h i c hh a sn o tc o m b i n e d t o g e t h e r c o n s i d e r i n gc e r t a i nc o r r e l a t i v ep r o j e c t ，t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e dt h ed e s i g n o fa t ri n f o r m a t i o np r o c e s s i n gp l a t f o r m ，a t ra l g o r i t h ma n dm o d u l a r i z i n ga l g o r i t h m s o f t w a r ew i t h - n o r m a t i v ei n t e r f a c eb yu s i n g u m lt e c h n o l o g y f u r t h e r m o r e ， c o r r e s p o n d i n gm o d e la n dm o d u l a re n c a p s u l a t i o ns t a n d a r dh a sb e e nb u i l t b e s i d e s ，t h i s p a p e rb r i n g sf o r w a r dr e l e v a n tf o r m a ls e m a n t i cc o m p o n e n tm o d e la n dm e s s a g em o d e l a n de x p l o r e sc o m p o n e n tm o d e l so fa t rs y s t e m a tl a s t ，t h ev a l i d a t i o no fa t r e v a l u a t i o na n da t ri n f o r m a t i o np r o c e s s i n gm o d e lh a v eb e e nd o n e ( 1 ) b ye x p l o r i n ga 限s y s t e m ，w ea b s t r a c tt h ef l o wc h a r to ft h ea 限i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gs y s t e ma n dd e s i g nt h eb a s i cm o d e la n d p i nt oj a c k s y s t e ms t r u c t u r eo f a t r i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e mo nt h eb a s i so fi n f o r m a t i o np r o c e s s i n gf l o wb yu s i n g u m lm o d e l i n gt e c h n o l o g y b yc o n t r a s t i n g ，w ep o i n t so u tt h a t p i nt oj a c k s y s t e m s t r u c t u r ei sb e t t e rf o ra 豫s y s t e mm o d e l i n g 。 ( 2 ) f r o md i f f e r e n tp o i n to fv i e ws u c ha se x a m p l ec h a r t ，c l a s sc h a r t ，s t a t u sc h a r ta n d s e q u e n t i a lc h a r t ，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dt h es t a t i ca n dd y n a m i c s t r u c t u r eo ft h em o d e l s ( 3 ) b ya b s t r a c t i n go nt h eb a s i so f p i n t oj a c k s y s t e ms t r u c t u r em o d e l ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e sc o m p o n e n tm o d e l sw h i c hc a nb ed e s c r i b e db yu s i n gm a t h e m a t i c a im e t h o d s a n dh a v ef o r m a l i s t i cm e a n i n g s t h er e g u l a t i o no fr e p e a t - u s i n ga t rp r o c e s s i n gm o d e l h a sb e e ne s t a b l i s h e da n dt h ec o m p o n e n ti n d e x i n gh a sb e e np r i m a r i l yr e s e a r c h e d ( 4 ) b yu s i n gt h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e rb u s ，t h i sp a p e rp r o v o k e sm o d e l sw h i c h i n t e g r a t e db yb u st e c h n o l o g y a n dh a v ef o r m a l i z a t i o nm e a n i n g sa n dr e a l i z e da t r c o m p o n e n tm o d e l s t h i sa t rc o m p o n e n t m o d e lc a nb eu s e dt oe v a l u a t i o no fa l g o r i t h m a n da l g o r i t h mc h o o s i n g t h e r ei sn on e e dt or e v i s et h ep l a t f o r me v e ns o m en e w a l g o r i t h m sh a v ec o m e o u t ( 5 ) t h i sp a p e rh a v ea n a l y z e dt h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n gf l o wo fw i d e b a n ds t e p p e d f r e q u e n c yr a d a ra n dr e a l i z e d t h ev a l i d a t i o no fa t ri n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e m m o d e l i nt h i sb a c k g r o u n da n da tt h es a m et i m ev a l i d a t e dt h a tt h i sm o d e lc a l ls u p p o r t a l g o r i t h me v a l u a t i o n k e yw o r d s ：a t r ，u m l ，m o d u l a rm o d e l ，i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ， f o r m a lm e s s a g e ，s o f t w a r eb u s ，v i r t u a lv a l i d a t i o n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1a t r 系统类的封装函数1 5 表2 2 函数含义表1 8 表2 3 代码含义表l8 表2 4 用例图名词含义表2 2 表2 5 模型比较3 3 表4 1 函数和参数的含义表4 6 第1 l l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 图1 2 图 图 图 图 3 4 1 2 图2 3 图2 4 图2 。5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 11 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图2 1 8 图2 1 9 图2 2 0 图 图 图 图 图 图 图 图 2 1 2 2 2 3 。1 2 3 4 5 图目录 用例模型2 序列图示例3 类图示例：o 4 状态图示例4 a t r 信息处理流程图1 0 a t r 信息处理系统一算法选择。11 基本模型用例图1 2 a t r 信息处理系统的静态结构图i 1 3 a t r 信息处理系统的静态结构图i i 1 4 a t r 系统类的操作15 a t r 系统类的状态图1 6 预处理状态图1 7 特征提取状态图1 7 识别状态图1 7 a t r 信息处理系统协作图1 9 a t r 信息处理系统顺序图2 0 a t r 系统工作流程2 l 用例图2 2 a t r 合成类图2 3 端口属性设置框。2 4 a t r 信息处理系统完整的模型图2 4 g u i 状态图2 5 预处理状态图2 7 特征提取状态图2 8 识别状态图2 8 输出状态图3 0 评估状态图。3l u m l 中的类图3 4 a t r 系统的层次结构框图3 5 a t r 各功能模块软件总线连接示意图4 l a t r 各功能模块通信连接示意图4 2 功能模块通信格式定义4 2 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 。8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 a t r 信息处理流程框图4 4 步进频雷达回波数据在模型中参数转化的示意图4 5 参数在模型中的转化和传递图4 7 简化的预处理模型4 8 步进频雷达预处理流程与模型的预处理模块的对应关系4 9 步进频预处理流程图与模型的预处理模块对应关系4 9 步进频的参数转化与模型中的参数转化对应图。5 0 简化的特征抽取类51 步进频雷达与模型在功能和参数转化的关联图5 l 步进频雷达与模型的功能关系图5 2 识别的简化图5 2 评估参数转化与评估实现的示意图5 3 笫v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加1 7 , 标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：基王坠的! 基焦皇矬垄丞统建搓盟究 ： 学位论文作者签名：答叁丝 日期：删彦年月名日 学位论文版权使用授权书 本入完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：基王些垃! 垦焦皇矬堡丞统建搓班究 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：加年，月磊 日期：加萨11 月洳 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 自雷达诞生起，其作为一种探测工具，在军事领域发挥着十分重要的重用。 早期雷达将探测对象均视为点目标，功能有限，随着现代军事电子技术的发展， 其早已不能满足现代战争的需要。高分辨雷达、合成孔径雷达( s a r ) 和逆合成 孔径雷达( i s a r ) 技术的不断成熟，为将雷达目标当作扩展目标进行研究提供了条 件，能获取更多有关目标结构的信息，为自动目标识别( a t r ) 技术的发展提供 了强有力的支持。a t r 技术可以提供目标属性、类别甚至武器挂载情况等信息， 这对于提高军队指挥自动化水平、攻防能力、国土防空、反导能力以及战略预警 能力具有十分重大的意义。 a t r 信息处理系统作为一个实现特定功能的复杂软件系统，有着自身的特点： 数据处理流程可划分为预处理、特征提取、特征选择、识别四个环节。为协同a t r 系统各环节，应对a t r 信息处理系统开展系统研究和分析，并建立系统的架构和 各部分的连接标准。 架构是系统实现的蓝图。一个设计良好的架构可以使我们透彻理解所构建的 系统，规划系统的开发。根据系统架构开发a t r 系统时，可以节省开发成本，并 根据开发的具体要求对系统进行相应的扩展。 如果没有一个通用的a t r 信息处理的模型，不仅带来大量重复性工作，同时 a t r 系统开发人员对系统的理解不同会导致开发的a t r 信息处理系统各环节不能 很好的兼容，更不能在原来的系统中应用新技术。 1 2 项目背景及核心技术概述 本文以课题组的某项目为背景，针对a t r 信息处理系统展开研究，选题具有 重要的理论意义和工程实用价值。本文研究重点为“a t r 信息处理支撑平台 的 软件系统构建和算法模块化，利用u m l 建模语言，开发a t r 信息处理模型，建 立a t r 系统各部分的封装标准和接口标准。下面对软件系统建模过程中涉及的一 些概念和技术进行论述。 1 2 1u m l 建模技术 统一建模语言( u m l ) ，是一种可视化的表达软件系统模型的符号。1 9 9 7 年， u m l 被o m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg f o u p ) 组织正式采纳，其标准化过程对软件系统 第l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的开发方法产生了重大影响：人们普遍认识到模型在复杂软件系统开发中的作用； u m l 的一些重要概念和技术( 软件架构、需求工程和工具集成) 的流行，促进了 软件工程工业化方法【1 】【2 】【3 】 4 1 的形成。 u m l 不但可以用于软件系统自身的建模，也适合于业务建模【仉。u m l 可以描 述业务结构方面的内容( 如目标、目标层次或者资源的结构) 、行为方面的内容 ( 如过程) 以及影响这些结构和行为的业务规则，具有下列视图： 用例视图：描述系统功能； 类图：描述并构造事物； 状态视图：描述类中的状态更替，与其它类交互的状态变化； 序列视图：描述系统中关联类的对象序列； 协作视图：描述一系列对象之间完整的协作关系； 部署视图：描述软件系统中的硬件设备； 构件视图：描述软件系统中的各个构件； 对象视图：用以表述关系的实例； 活动视图：描述一个软件系统中所发生的活动。 通常一个视图可以表达一个系统的所有关键要素，单个视图难以清楚地表达 所有的信息【4 】【5 1 。本文采用用例视图、类图、状态视图和序列视图描述a t r 信息 处理系统各类的封装标准、相互关系和协作规则，可以将难以清晰表达的功能和 关系清晰地表示出来。 图1 1 用例模型 ( 1 ) 用例视图 用例捕捉了系统的功能需求信息，通过纯文本加以定义【乱。用例视图统计用例 之间的关系，用例和用例图以参与者和系统的形式表达。参与者总是期望能使用 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 系统所提供的所有功能，可以是一个用户或者另一个系统与本系统发生关联时扮 演的角色。一个用例就是参与者对系统的一次使用，现给出一个电梯的用例图， 如图1 1 所示。 系统的参与者是乘客( p a s s e n g e r ) 和潜在的乘客( p o t e n t i a lp a s s e n g e r ) ，可以 有三种不同类型的关联关系：包含( ) ，扩展( ) ，泛化 ( ) 。 ( 2 ) 序列视图 序列图描述了一系列对象之间的消息序列，包括消息次序和时间限制。序列 图着重于时间维，每件事件都严格按照时间轴从上到下垂直地排列【l 】，如图1 2 所 示。 本文采用序列视图研究a t r 各个模块之间的交互关系，将各模块的消息交互 用可视化的形式表达，以解决数据处理过程中各个环节之间消息交互的时序问题。 ( 2 ) 类图 一个系统是由各种对象构成，对象可以由它们的内部属性及其与其它对象的 关系进行描述。类是一系列拥有相同特性对象的集合，将对象分类并组合降低了 建模的复杂性，减少了建模中的元素数量，有助于描述复杂的系统，如图1 3 所示。 电梯系统运行过程中包括b u i l d i n g ( 楼层) 和升降梯( e l e v a t o r ) 两部分。楼层是电 梯运行的硬件系统：升降梯有门( d o o r ) 、电动机( m o t o o 、上行( u p i t i n e r y ) 和下行 ( d o w n l t i n e r y ) 等四四个对象组成。类图描述了电梯系统的静态结构和各个部分之间 的相互关系。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 b u i l d i n g 1 l h a r d w a r e j t s h a r d w a r e n u m b e 象一o f e l e v a t o r s t h , 警 o p e n ( a n e l e v a t o r ：i n t , a f l o o r ：i n t ) ：v o i d c l o s e ( a n e l e v a t o r ：i n t , a f i o o r ：i n t ) ：v o i d d o s i n g ( a n e l e v a t o r ：i n t , a f i o o r ：i n t ) ：、， m o v i n g ( a n e l e v a t o r ：i n t , a f i o o r ：i n t ) ：v o p e n i n g ( a n e i e v a t o r ：i n t , a f i o o r ：i n t ) c h e c k ( a n e l e v a t o r ：i n t , a f i o o r ：i n t ) ：v o i d e l e v a t o r ， l 1 i t s d o or ：d o o r l1i t su 。i t i n e r a r v ：i m e r a n ， i 。，1 爿i t i n e r a r y i 1 i l sd o wn n i n e r a r v ：b i n e r a r v f l1 i t s m o t o r ：m o t o r i 图1 3 类图示例 ( 3 ) 状态图 状态就是对象属性取值及其与其它对象链接所得到的结果，它指示了对象如 何响应其周边发生的事件。状态图捕捉了对象、子系统和系统的生命周期，指示 了对象可以拥有的状态以及随着时间的推进，不同的事件如何影响这些状态。一 个与其它类有交互关系和协作规则的电梯系统状态图，如图1 4 所示。 图1 4 状态图示例 模型是软件系统开发中最根本的驱动因素。为抽象化需要，本文对a t r 信息 处理系统建模只考虑其软件部分，并可基本满足工程需要，大大降低模型的复杂 度，增加模型的可实现性。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 2 库、软件体系结构及形式化方法 ( 1 ) 库 类库是一种特殊的可复用构件库，在面向对象的软件开发中，编程类库是实 现对象类复用的基本条件，有力地支持了源程序级的软件复用，但要在更高的级 别上实现软件复用，仅有编程类库是不够的，必须有分析类库和设计类库的支持。 对象类库存储和管理以类为单位的可复用构件，并保持类构件之间的结构与 连接关系，不能保存其它形式的构件。对象类库中的可复用构件，既可以是类， 也可以是其它系统单位。构件库的组织方式，可不考虑对象类特有的各种关系， 只按一般的构件描述、分类及检索方法进行组织。在面向，列象的软件开发中提炼 比类粒度更大的可复用构件，例如把某些结构或某些主题作为可复用构件；也可 以提炼其它形式的构件，例如u g ec a s e 或交互图。构件库中构件的形式及内容比 对象类库中的类更丰富，可为面向对象的软件开发担供更强的支持。 ( 2 ) 软件体系结构 软件体系结构作是系统实现的蓝图，定义了组成系统的构件与构件之间相互 作用的关系，为构件的集成组装提供了基础和上下文【6 】【刀。a t r 信息处理系统作为 一个软件系统，其软件体系结构应支持a t r 系统的功能扩展、算法的复用及算法 评估 软件体系结构应易于理解，不同的a t r 系统开发者能无模糊性地进行交流。 u m l 建模采用非形式化方法的文本加图形的方式，构件之间的关系是隐含的，很 难精确地描述构件之间的动态关系。在算法选择和评估的基础上进行a t r 系统的 开发，需要采取一种策略：支持新技术插入到原系统，不需要对原系统进行较大 的修改。 软件体系结构作为一个研究热点，文献 8 】中l u c k m a n 分析了几种不同的体系 结构，并进行了对比，其中插头插座式软件体系结构中的构件接口定义了其对外 提供的功能和要求的外部功能，构件之间服务对偶就可以连接。构件的复合是通 过规约层次上的服务对偶进行连接【9 】，如同计算机硬件中的接口技术。 国防科技大学a t r 重点实验室关于软件体系结构做了相应的研究【1 0 】【l l 】，张静 提出了雷达目标识别系统的层次结构 1 0 】，将数据处理流程进行划分，表述为：整 理层、表述层、匹配层、综合层、评价层和存储层等八个层次，模块的开发遵循 层间松耦合、层内高内聚的原则。 国外，h a r a l dr u d a 等采用模块化方法，对a t r 系统开展了系统化研究，给出 了完整的自动目标识别优化的完整框架【1 2 l 。经典的雷达系统设计是采用紧耦合的 集中式设计，雷达系统自成体系，是互不兼容的。雷达开放式结构是采用算法构 件替代紧耦合设计中的子系统。s t e p h e nr e j t o 在i e e e 国际雷达会议上的提出了雷 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 达系统开放式结构f 1 3 】：硬件部分和软件部分同时模块化，同一个系统通过主计算 机设定参数实现多种体制的雷达，在美国战区导弹防御系统上已成功应用；在软 件部分将雷达数据处理系统分解为几个松耦合的子系统，每个松耦合的子系统执 行相应的雷达功能，完全能够独立运行；把这些类似积木的子系统连接，实现一 个完整的雷达数据处理系统。r a e n g l i s h 在基于s a r 图象处理的a t r 工作站开 发的报告【h 】中指出，采用模块化技术既集成了已有的技术，又适应未来技术发展 的要求。 ( 3 ) 形式化方法 ( 一) 形式化方法的发展历史 2 0 世纪5 0 年代后期，b a c k u s 提出了巴克斯范式( b a c k u sn o r m a lf o r m u l a ，简 称b n f ) ，作为描述程序设计语言语法的元语言。 2 0 世纪6 0 年代，f l o y d 、h o a r e 和m a n n a 等开展的程序正确性证明研究推动 了形式化方法的发展，他们试图用数学方法来证明程序的正确性并发展成为各种 程序验证方法，但是受到程序规模限制，这些方法并未达到预期的应用效果【5 】。 2 0 世纪8 0 年代，硬件设计领域形式化方法的工业应用结果，掀起了软件形式 化开发方法的学术研究和工业应用的热潮，p n u e l i 提出了反应式系统规格和验证的 时态逻辑( t e m p o r a ll o g i c ，简称t l ) 方法，c l a r k e 和e m e r s o n 提出了有穷状态并发系 统的模型检验( m o d e lc h e c k i n g ) 方法。 2 0 世纪8 0 年代，牛津大学和h u r s l e y 实验室于合作将z 用于i b m 商用信息控 制系统。i b m 对整个开发所进行的测试表明：明显地改善了产品质量、大量地减 少了错误和早期诊断错误。i b m 估计使总体开发成本降低9 。这一成果获皇家技 术成就奖。 ( - - ) 形式化方法基本概念 形式化方法是渗透在软件生命期中各个环节( 如：需求、设计、实现、测试 等) 的数学方法，或者是具有严格数学基础的软件开发方法，形式化方法分为形 式化规格方法和形式化验证方法。形式化规格是通过具有明确数学定义的文法和 语义的方法或语言对软件的期望特性或者行为进行的精确、简洁描述。形式化验 证是基于已建立的形式化规格，对软件的相关特性进行评价的数学分析和证明【5 】o 基于转换模型的软件开发过程实际上可理解为：从最高层的规格开始，通过 一系列的求精变换步骤，每一步都降低一些抽象程度或增加一些可执行性，最终 得到能够指导计算机明确执行的程序代码。在进行求精的过程中要保证转换之间 的一致性和正确性，保证所得到的程序是满足最初规格的。这种正确性和一致性 可以通过求精过程中所遵循的一系列规则来保证，也可以在事后采用验证工具来 证明。基于转换模型的软件开发过程包含了如下三方面的活动： 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 形式化规格： 形式化验证； 程序求精( r e f i n e m e n t ) 或变换。 典型的形式化方法有：有限状态机、p e t r i 网、时序逻辑、z 语言等。 ( 三) a t r 信息处理系统中形式化需求 u m l 建模在商业领域和工业领域获得了广泛的应用，成为了软件开发和系统 建模领域的工业标准。u m l 作为半形式化的建模语言，采用文本加图形的方法对 软件系统进行描述。a t r 信息处理系统是一个大型且异常复杂的软件系统，其开 发必须依赖团队协作开发，同时领域、结构、工作环境复杂，开发人员在采用自 然语言、图、表等非形式化的方式，进行交流时存在困难，为形式化方法在模型 构建中定义构件提供了条件。 在a t r 信息处理系统模型中抽象出的构件模型，采用z 语言进行描述：提高 软件开发的质量和可靠性，方便开发人员进行交流。 1 3 国内外研究现状 世界各国对a t r 技术的研究，已有接近4 0 年的历史，取得了一系列重大进 展。为更好的推动a t r 技术的实用化进程，服务于a t r 系统研究、开发、试验 与评估的各个环节，基于当前日益复杂的现代战场环境及有限的资金支持，建立 高效的、各种类型的a t r 支撑平台受到了各先进国家的高度重视，相应的开发了 许多类型的a t r 研究平台。其中，比较有名的雷达目标实验平台有： 美国o h i o 州国立大学实验室( e s l ) ，在雷达目标特性和建模、目标识别 等方面开展了长期的建设和研究工作，通过建设毫米波( k a ) 段的全极化 测量雷达试验系统，完成了各种军用目标的实际测量，建立了较为完善的 军用目标散射特性数据库，他们的成果代表了国外对雷达散射目标电磁特 性研究的最高水平，也是美国进行雷达目标识别研究的重要支撑之一； 美国麻省理工学院l i n c o l n 实验室，将可见光图像、红外热成像的信息理论 和实际应用结合起来，将理论研究模型加载于可见光和红外车厢测试床上 进行测试，获得大量的目标特性数据，并依据此试验数据对模型进行修正。 其成果极大地推动了美国成像制导和引导技术的发展。支持了t m d 和 n m d 系统的研究和试验。其成像融合技术和试验平台在世界上处于领先 水平； 美国麻省理工学院l i n c o l n 实验室，是美国在现今雷达技术研究方面的先 锋，在上世纪9 0 年代，l i n c o l n 实验室就建立了自己的毫米波导引头试验 床，多年的发展，不仅测量了大量的目标特性数据，而且支持了美军的战 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 术车辆识别系统，弹道导弹防御识别系统等重大课题的研究。 此外，俄罗斯和欧洲国家也十分重视目标识别技术的研究，分别建立了相关 的实验室和实验平台。 国内在目标识别支撑平台方面： 国内拥有较大的毫米波暗室紧凑场测量系统和红外测量系统； 国内拥有红外探测器测量测试工具； 国内拥有红外成像制导所需的测量测试设备。 这些平台在目标识别的研究中发挥了重要作用。国内目前尚无一个有效支撑 “a t r 信息处理系统”研究的平台，成为妨碍国内a t r 技术实用化的不利因素。 1 4 论文的主要工作及研究内容 本文将a t r 信息处理支撑系统关键技术研究分为a t r 信息处理系统分析、 a t r 信息处理系统建模、形式化语义的软件体系结构三部分，对相应的内容作了 深入的研究：逐一阐述系统建模中涉及的用例图、类图、状态图、序列图等，结 合项目背景选择的建模工具为：美国i - l o g i x 公司的r h a p s o d y 建模工具，在分析 a t r 信息处理系统的基础上构建两个模型，通过对比抽象出其具有形式化语义的 构建模型。 本文共分五章，按绪论、a t r 信息处理系统分析与建模、形式化语义的a t r 系统构件模型实现、a t r 信息处理系统模型的应用、总结与展望等内容进行组织， 从理论到实践、从建模到抽象等撰写论文。 第一章主要介绍了项目的背景，论述了核心技术一一i m ，建模技术、形式化 方法、软件体系结构技术的概况和国内外发展现状。并对论文的结构进行了说明。 第二章首先对a t r 信息处理系统数据处理流程进行分析，然后在分析的基础 上设计了a t r 信息处理系统基本模型和基于插头插座式体系结构的a t r 信息处 理模型，从状态图，类图，协作图等不同的视角详细论述模型设计时的技术细节， 并对这两个模型进行了比较。插头插座式体系结构的a t r 信息处理模型可预留专 门接口用于a t r 信息处理系统的扩展。 第三章从a t r 信息处理支撑平台的角度，对第二章的a t r 信息处理系统模 型进行抽象，提出了具有可扩展的构件模型。在构件模型的基础上，实现了插头 插座式的a t r 信息处理系统模型，为后续的a t r 信息处理支撑平台的开发和构 件库的创建提供通用规范和标准。 第四章结合宽带步进频导引头雷达导引头，采用虚拟验证的方法对插头插座 式体系结构模型进行了验证。在验证模型的基础上，检验了该模型对评估算法的 支持。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第五章对本文所做的的工作进行总结并对未来的工作进行展望。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章a t r 信息处理系统分析与建模 a t r 信息处理系统是对通过对来自一个或多个传感器上的信息进行处理，通 过计算机进行处理，检测并识别出目标类型【1 2 1 ，在信息化支撑下的c 4 i 作战指挥 系统中占有十分重要的地位。本章的研究内容是分析a t r 信息处理系统，提出通 用的a t r 信息处理流程，借助u m l 建模语言，建立a t r 信息处理系统的模型， 为下一章的a t r 系统扩展建模提供理论基础。 2 1a t r 信息处理系统流程 随着雷达技术和理论研究的发展，特别是高分辨雷达、合成孔径雷达和逆合 成孔径雷达的出现，开发了各种各样的a t r 信息处理系统。a t r 信息处理系统所 依据的理论不同，体系结构各不相同，彼此互不兼容。本章通过对a t r 信息处理 系统进行分析和抽象，建立了通用a t r 信息处理系统流程图。引入软件系统中“层” 和“模块的思想对a t r 信息处理系统进行描述，有效地忽略不同a t r 系统在 实现算法和结构上的差异，如图2 1 所示。 懿试数姑 图2 1a t r 信思处理流程图 将a t r 信息处理系统的数据处理流程都划分为预处理层、特征提取层、识别 层和输出层： 预处理层是基于某种理论对雷达接收的回波数据进行处理的算法集合f j ， 得到可直接用于进行特征提取的目标数据。对于要得到高分辨距离像数 据，可以采用某种方法对雷达接收到的回波数据在频域进行处理，然后进 行傅立叶逆变换，得到其一维高分辨距离像【1 6 】【1 7 】【1 8 】 1 9 】； 特征提取、选择层是对目标数据进行基于时域 1 9 】【2 0 】【2 1 】f 2 2 】f 2 3 】f 2 4 1 、频域 【1 9 】【2 3 】【2 6 1 【2 6 】【2 8 1 2 9 】【3 0 1 【3 1 1 、波形【1 9 】【2 3 】【3 l 】【3 2 】或极化【1 9 】【2 3 3 3 1 3 4 】口5 】【3 6 】【3 7 】【3 8 】【3 9 】的处 理，得到可直接用于识别的特征数据。高分辨距离像数据具有维数高，冗 余信息多等缺点，如直接用于识别，则会带来运算量过大、识别率较低等 影响，因此采用特征选择子模块对数据进行特征选择，选择其有效特征， 进行维数压缩，得到用于识别的目标特征，以减少运算量，提高识别率； 识别层即依据某种最优准则或匹配度准则【18 】【1 9 1 【2 3 】【3 8 【4 0 】对特征数据进行处 理，得到识别结果，如识别率； 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 结果输出层是对识别结果进行分析，得出其评估数据。 在通用的a t r 信息处理流程中，并不是每一层都是必不可少的。在得到一维 高分辨距离像后，如果直接采用神经网络识别算法，特征数据的抽取、选择和识 别是一起进行的。 在传统的a t r 信息处理系统开发时，各层之间存在很强的耦合：当预处理和 特征提取算法确定后，识别算法在很大程度上就已确定，存在很强的依赖关系。 在对a t r 信息处理系统进行分割时，难以确定各层的边界，定义模糊【1 0 】。而且每 一层都存在大量的可以实现特征提取、识别算法，如图2 2 所示。 数据 特征提取识别 图2 2a t r 信息处理系统一算法选择 通过特征提取层得到的特征数据有多种类型，针对每种类型的特征又有不同 的识别算法可以对其进行处理。例如在得到目标的高分辨距离像时，可以基于中 心矩提取特征、也可以基于双谱和基于时域提取特征，进入到识别阶段时，可选 择基于神经网络、聚类或模糊理论的算法。因此构建一个a t r 信息处理系统的基 本模型，将每层使用模块进行表示，便于分析和开发a t r 算法。 模型的创建使我们准确地把握事物的本质。模型并非给出业务绝对的全景描 述，不必描绘整个系统的细节【4 】。a t r 信息处理模型的建立，解决了a t r 信息处 理系统研发过程中算法研究、信息处理平台设计、形成模块化和接口规范化算法 软件等环节相互协同问题，又可以依据具体的a t r 系统的开发要求实现功能扩展。 在对实际问题开展需求分析的基础上，本章从不同的视角对实际问题展开建 模，从扩展性、复用性、协同性、人性化等方面对模型进行比较，选择了一种最 合理的模型。借助于合理模型的软件开发，在保障软件系统开发质量的同时，加 快了开发速度。 2 2a t r 信息处理系统基本模型 a t r 信息处理系统的开发是理论研究与实际应用不断结合的过程，其模型需 要不断完善。本节设计了一个具有复杂业务的模型，包括各模块的封装标准、状 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 态机和模块交互的时序逻辑，为a t r 系统开发人员进行交流提供了通用平台。 2 2 1 用例模型 用例建模的目的是确定并给出参与者所有需要的系统用例的描述，用以分析 并设计一个稳定的架构以实现所有的用例。在对a t r 信息处理系统建模时，应满 足以下要求： 电磁环境的变化，引起性能的快速下降。在建模时应能充分考虑其中的噪 声参数的调整问题； 大量的a t r 算法在进行仿真时有着极好的性能，但其假设条件比较苛刻， 与战场环境不符。实际的电磁环境是不断变化的，具有不可预见性，但其 假设条件是特定的，可预见的； 在建模时应能够对噪声的类型和强度进行选择，支持在不同的环境下进行 测试。 一个完整的a t r 信息处理平台应具有算法选择、参数配置两部分，并需要在 雷达回波数据的参与下进行。用例图的创建是为了满足客户的开发需要，显示的 是外部参与者能观测到的系统功能，不需要用专门的术语来描述系统的设计。一 个用例是对系统的一次使用，如图2 3 所示。